并行设计演讲稿_演讲稿的设计步骤

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并行设计演讲稿

大家好，接下来由我给大家讲并行设计的关键技术，首先给大家看一幅图，这是有关并行设计关键技术的树状分布图。我在做这一部分的研究时发现这块内容非常复杂，为了防止大家听完感觉很乱，我就做了那么一幅图，其中关键技术主要分为五大项：并行设计的建模与仿真、多功能团队的协同工作、产品数据交换技术、产品数据管理以及面向应用领域的设计评价技术。

接下来我们就先看第一项，并行设计的建模与仿真。在这里需要先说明一下，所谓并行设计包含看两层含义，一层是对产品开发的并行设计，而另一层则是对管理过程的并行设计，建模也是一样，既包含对产品开发的建模，也包含对过程控制的建模，所以这块被分成两部分。其中复杂系统的分析和建模技术又可分为以下三部分，我依次作一个简要介绍。

首先是产品模型的多侧面表达方法。由于产品工程师和设计师根据不同的角度或视点可建立产品的不同侧面模型。如儿何侧面模型，制造侧面模型，检测侧面模型，成本侧面模型等等，不同的产品侧面模型之问互相关联，相互作用，如图这些连线所示。产品的每个侧面模型都由其基本元素，侧面特征来构建。将这些特征以及特征之间的相互联系以数学语言进行定义，并最终建立起一定的数学模型便是该方法的核心思想。它的优点就是从数学角度清晰地表达了产品内核数据的构架与建模过程。

接下来再看一下动态产品模型多视图表达法。简单来说，它是将产品开发不同阶段的各类数据进行抽象表示，而这里的抽象表示就是以视图的形式进行表达的。对应于产品的设计阶段，产品动态模型可以分为三个子模型，即概念设计模型、装配设计模型和产品定义模型。为了表达产品动态模型，必须清楚地表达它的三个子模型。子模型的内容反映了不同设计阶段的产品信息，它们不仅内容不同，而且表达形式也不同。为此，引入了多视图表示。视图是设计对象的一类特征属性的集合。产品动态模型的多视图性表现在每个子模型均具有多视图性。多视图可以简化模型，并利于设计的重用。以下区分三个子模型的不同视图。（1）概念设计模型的多视图：概念事物特性定义视图、功能定义视图、功构映射视图、设计参数定义视图和概念管理视图。

(2)装配设计模型的多视图：装配事物特性定义视图、装配层次关系视图、装配结构关系视图、装配参数定义视图及装配管理视图。

（3)产品定义模型的多视图：零件事物特性定义视图、零件对象定义视图、零件装配结构关系视图、设计参数定义视图及零件管理视图。

产品动态模型的三个子模型之间的关系是后者以前者为前提，没有前者就没有后者。三个子模型的各个视图和子模型是部分与总体的关系。

这种表达方式的优点是比较形象具体。

前面两种方法都是传统并行设计中比较典型的表示方法，产品侧面模型表示方法从数学角度表达了产品内核数据的构架与建模过程，但是它不可能代替工程视图；产品动态模型采用多视图来形象表示设计，却无法把握产品核心数据。所以，以上两种表示方法都是片面的。因此，这里采用集成的表示方法从多个角度对产品数据进行表达，并且将子模型关联起来，形成一个完整的产品模型，如图 所示。产品信息模型是该框架的核心，既是产品模型中最抽象的部分，又维护与定义了模型框架的构建关系。产品的多种视图、工艺卡片、设计变更文件、装配关系、明细表以及状态信息都是产品模型的外围，是将抽象的产品数据直观化、形象化表达的手段。而产品设计模型状态包含了足够的状态信息，既实现了对产品过程模型与产品信息模型之间的衔接，又外在地形象表达了产品过程模型。这样，通过建立产品模型框架与外围的关联，形成了一个“既有骨架又有血肉”的完整结构。

以上就是复杂系统分析和建模中比较重要的三种表示方法，接下来再介绍过程控制和管理工具。首先是过程控制模型。复杂产品的设计开发是一项庞大的系统工程，如何有效的规划、安排与协调整个工作流程一直是困扰着产品开发管理与调度部门的问题因此，需要建立一个合理的模型来组织和管理并行设计过程。如图所示的设计过程模型主要表达了设计过程中设计对象的分解与同步处理，计算机辅助工具的并行调用，试制与试验的同步安排以及信息的及时反馈与模型的同步更新。并行设计中对象的分解可表现为：在规划阶段，将总布置草图工作具体分解为ASMl、ASM2、ASM3等部分；在零件设计阶段，细化了零件CAD工作；在CAE阶段，也同样将建模工作细化到零件级；工艺与制造阶段则将工艺卡片与数据落实到每一个自制件；模具设计(Die Design)、夹具设计、ERP资料归档、PDM数据发放以及产品原型(Prototype)的试制与试验都明确到了各自的元素对象级。如图所示的并行设计过程模型表达实例强掉了并行设计过程中子工作流的同步性特点，例如DFX分析与CAE分析是在CAD模型“PRT”完成后同步进行的，而且模具设计、兴具设计、ERP资料归档、PDM数据发放和产品原型生成等步骤也是在CAM输出数据后同时启动的。此外，该模型表达实例也体现了前后两个工作步骤之间输入输出方面良好的衔接关系：例如，零件“PRTl”是在装配布置草图“ASMl”完成的同时开始CAD建模：同样，针对CAD模型“PRTl”的DFM评价与分析及其对应的“FEMl”建模和CAE分析都是在零件CAD模型“PRTl”建立之时开始执行的。并行设计中，由于某些设计工作的可分解性，同一阶段往往同时对多个设计对象展开操作，从而大大节约该阶段的时间。随着计算机硬件与软件的发展，设计对象的分解粒度会越细，而且设计难度与时间会降低，因此并行设计过程模型也是动态发展的，当然产品设计周期将会缩短，并行设计的优势将愈加明显。

接下来再简单介绍一下管理工具，该工具是在以上建模的基础上，以过程模型为核心对系统的阶段活动进行监控和管理。其主流技术是新兴的工作流管理技术。一般的工作流管理包括工作流建模和运行控制两大部分。目前，市场上工作流产品十分丰富，其中FileNet、JetForm、IBM和Action四个公司开发的工作流产品比较有影响和代表性。由于时间原因具体就不展开介绍了。

到现在为止，第一个关键技术可算介绍完了我们接下来再看一下多功能团队的协同工作。首先介绍一下集成产品开发团队（IPT）。传统的按功能部门划分的组织形式与并行设计的思想是相悖的。并行设计要求打破部门间的界限，组成跨部门多专业的集成产品开发团队（Integrated Product Team ─IPT）。集成产品开发团队是企业为了完成特定的产品开发任务而组成的多功能型团队。它包括来自市场、设计、工艺、生产技术准备、制造、采购、销售、维修、服务等各部门的人员，有时还包括顾客、供应商或协作厂的代表。如图所示，跨部门团队围绕着同一个目标，目标负责人的并行协调下开展工作。接下来再介绍一下IPT的目标及其基本属性。目标有三个，1、提高产品质量，IPT的每个成员均对满足用户需求和质量需求作贡献。

2、降低生产成本采用集成产品开发团队能显著减少更改、错误和返工。

3、缩短产品开发周期IPT并行协同工作，保证对用户需求和更改设计很快作出反应。基本属性有四个，1、承担有限的任务；

2、由具有多种交叉能力的成员组成，其中包括参与产品开发各阶段的核心成员组；

3、具有可定义和可度量的输出；

4、有唯一的团队领导。

IPT的典型工作阶段包括概念设计、系统层设计、详细设计、测试与改进和产品推出。在每一阶段，IPT成员的活动如下图所示。这个具体的我就不念了，总之大家只要知道，IPT成员的工作以这五个阶段为横轴，以不同工作环境为纵轴，在其坐标相互交叉的要求下进行工作部署的。

在这一部分我们最后介绍一下团队工作中的冲突与协调。设计团队成员在同一前提条件下或同一目标要求下对某一事件作出的结论有时候不一致。由于组成集成产品开发团队各成员的专业背景不同，考察问题的出发点也不同，对同一个问题产生不同的见解是不可避免的。从冲突所涉及的对象来看，冲突可分为设计冲突、资源冲突、过程冲突等三类。1)设计冲突是产品设计中存在的相互对立、相互矛盾的关系。2)资源冲突是自然界和人类社会中普遍存在的一种冲突。3)过程冲突是产品在开发过程中时间上或信息上存在矛盾时产生的。

为了使集成产品开发团队的成员协同工作，实现全局最优的设计，就需要有解决冲突的机制。解决冲突的方法主要有消解、协商和仲裁等。1)消解，在问题求解阶段检测冲突，然后应用知识、工具、资源等予以解决，不能解决的则进一步采用协商的方法。2)协商问题求解者对自己无法解决的冲突，与其他求解者进行协调，称为协商。协商是并行设计冲突的主要解决途径，协商的结果通常会导致折衷，团队成员互相让步，得到一个不是最优但冲突最少的解决方案。3)仲裁子问题求解者对冲突无法达成一致协议，则提请更高一层的问题求解者，甚至管理者，请求仲裁。仲裁是一种具有主从关系的协商，仲裁者的意志可强加于申请者。

接下来再看一下第三个关键技术产品数据交换技术。首先先解释一下，CAPP（Computer Aided Proce Planning）是指借助于计算机软硬件技术来制定零件机械加工工艺过程。CAM(computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。

随着计算机技术的迅速发展，CAD、CAPP、CAM系统在过去的几十年中在各自的领域得到了广泛的应用。为了进一步提高产品设计制造的自动化程度，缩短开发周期，需要实现CAD/CAPP/CAM系统的集成。而实现CAD/CAPP/ CAM系统集成的关键是CAD、CAPP、CAM系统间的产品数据交换和数据共享。因此，有必要建立一个统一的、支持不同应用系统的产品信息描述和交换标准，即产品描述和交换规范。为了解决产品信息交换中存在的问题，国际标准化组织（ISO）制定了产品数据表达与交换标准STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data），在ISO中代号为ISO10303。STEP旨在产品生命周期内实现产品模型的数据交换。如图5所示，STEP的体系结构可以看作三层：应用层，逻辑层和物理层。最上层是应用层，包括应用协议及对象的抽象测试集，这是面向具体应用，与应用有关的一个层次。第二层是逻辑层，包括通用集成资源和应用集成资源，通用资源模型是一个从实际应用中抽象出来，并与具体应用领域无关的产品概念模型。而应用资源模型则是在此基础上对具体应用领域内有共性的部分进行了再次抽象，表达了该应用领域的产品概念模型。最底层是物理层，包含STEP数据的数据库和实际文件及其实现方法。接下来再看一下，STEP组成结构，它由六部分组成描述方法、集成资源、应用协议、实现形式、一致性测试和抽象测试集。

1)描述方法，集成资源和应用协议中的产品数据描述要求使用形式化的数据规范语言来保证描述的一致性、无冲突性和语义上的无二义性。在STEP描述方法中定义了EXPRESS规范描述语言，它是一种形式化信息建模语言而不是一种编程语言。

2)集成资源，又称为集成的产品信息模型IPIM。是STEP标准的主要部分，采用EXPRESS语言描述。集成资源又分成两大部分：通用集成资源与应用集成资源；通用资源在应用上具有通用性；应用资源描述某一应用领域的数据并依赖于通用资源的支持。

3)应用协议，应用协议是一份文件，用以说明如何用标准的STEP集成资源来解释产品数据模型文本以满足工业的需求。

4)实现方法，实现形式或应用方式系指用什么方法或格式在具体领域里实现信息交换。实现形式大致分为四级：第一级文件交换，第二级工作格式，第三级数据库交换，第四级知识库交换。

1、文件交换是最低一级。

2、工作格式交换是产品数据结构在内存的表现形式，以实现数据处理能达到“实时”的效果。

3、数据库交换适应数据共享的要求。

4、知识库对数据库进行约束检查。

5）一致性测试，STEP的一致性测试方法学和框架，是STEP中的一个重要组成部分。它为实现STEP应用协议的软件产品的一致性测试提供了一般性的方法论和要求。一致性测试方法学和框架的目标保证以下三点：

①可重复性任何时候实行测试结果相同。

②可比较性任何地点实行测试结构相同。

③可审查性测试结束后，可复审记录。STEP一致性检验的基本原则和方法是为了检验支持STEP的软件的有效性。这些原则和方法描述了通用一致性准则和测试过程，同时还描述了执行这些测试的方法。每一STEP实现方法都定义了抽象测试方法。

6）抽象测试集，根据每项应用协议的一致性需求与测试目标，用一种形式定义语言来定义抽象测试事例。每个测试事例提出一套用于某项专门测试目标的完整的活动说明。每种专门应用方式需要一个抽象测试方法。测试方法用于描述如何在与测试工具、过程以及所用的专门应用协议独立的情况下测试某种专门应用。

接下来是第四部分，产品数据管理（PDM），CIMdata公司给出的PDM定义是：“PDM是一门用来 管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件，结构，权限信息等）和所有产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术”

PDM管理所有与产品相关的信息和过程，它包括：⑴ 与产品相关的所有信息，即描述产品的各种信息，例如部件信息、结构配置、文件、CAD图、审批信息等等；⑵ 与产品相关的所有过程，即对这些信息的定义和管理，包括信息的审批、分配以及更改等等。

实施PDM可以缩短上市时间，提高设计效率，改善设计和制造的质量，更好地保证产品数据的准确性、一致性和安全性，有利于引进新的开发模式和管理产品开发过程等。

接下来看一下PDM的体系结构 1）用户界面层

用户界面层是实现PDM各种功能的手段、媒介。向用户提供交互式的图形界面，包括图视化的浏览器、各种菜单及对话框等，用于支持命令的操作与信息的输入输出。通过PDM提供的图视化用户界面，用户可以直接方便地完成管理整个系统中各种对象的操作。2）功能模块层

除了系统管理外，PDM为用户提供的主要功能模块有项目管理、过程与工作流管理、文档管理、产品结构与配置管理、开放式企业编码管理、应用系统集成工具及网络与数据库接口等。3）核心模块层

提供实现PDM各种功能的核心结构与框架，由于PDM系统的对象管理框架具有屏蔽异构操作系统、网络、数据库的特性，用户在应用PDM系统的各种功能时，实现了对数据库的透明化操作、应用、透明化调用和过程的透明化管理等。4）系统支持层

PDM以目前流行的关系数据库系统作为支持平台，通过关系数据库提供的数据操作功能支持PDM系统对象在底层数据库的管理。

接下来再看一下PDM七项基本功能，项目管理、文档管理、产品结构与配置管理、过程与工作流管理、开放式企业编码管理、应用系统集成工具、网络与数据库借口。

1）项目管理

项目管理是产品数据管理系统的一个重要组成部分。项目管理的主要功能包括项目的创建、修改、查询、审批、统计等功能；项目人员组织机构定义和修改；在项目人员组织结构的基础上，实现人员角色指派及其对产品数据操作权限的规定。

2）文档管理

数据仓库与文档管理是PDM系统的基本功能，是PDM实现管理的基础。数据仓库与文档管理的主要功能包括文件的检入/检出（Check In/Check Out）、发布管理、属性的搜索机制、圈阅功能，动态浏览与导航机制等。PDM系统一般通过分布式的电子仓库来管理所有用户的数据和文件，利用PDM系统的电子仓库功能，用户能够依据自己的权限快速有效地访问到所需的信息，而无需了解数据的结构以及应用软件的运行路径、数据的物理位置等信息。

3）产品结构与配置管理

产品结构与配置管理应该具有零部件定义、产品结构创建、产品结构维护和产品结构信息报告等功能，以各种视图对企业的产品进行描述，同时能够提供有效性服务。产品结构与配置管理提供了一种组织、控制和管理数据的机制，所形成的产品结构是对产品的全面描述，是面向产品整个生命周期的。

4）过程与工作流管理

PDM系统作为一种产品数据管理软件，不仅能管理所有与产品有关的静态数据，还提供了一套完整的机制来管理所有与产品数据有关的动态过程，跨越产品的设计、修改、审批，甚至生产、售后等阶段。在功能上，PDM系统对设计过程的管理体现为两个方面，第一，从产品开发项目进展的宏观方面，进行任务的定义，分解和执行，管理任务流；第二，从微观上对系统管理的对象（文档）经历的流程进行控制。

5）开放式企业编码管理

开放式企业编码管理支持不同企业的图纸文档、产品项目、机器设备和生产物料的编码生成，提供对编码规则的多种浏览和数据字段的合法性检查。6）应用系统集成工具

由于产品数据管理的使用对象成分复杂，涉及到各种不同的CAX系统。PDM提供的应用系统集成工具可以方便地对系统的功能进行配置和扩充，并对应用系统进行集成和封装，以满足不同层次用户的需求。

7）网络与数据库接口

考虑到企业中操作系统、数据库系统和网络环境各异的情况，PDM提供了多种网络与数据库接口以适应不同的操作系统与硬件平台。用户可以在合适的环境下透明地存取与访问企业共享信息。

为了更深入了解PDM，我再简要介绍一下基于PDM的并行系统框架。并行设计中的各种工程数据往往分布在一个异构的设计环境中，设计数据的格式是多样的，很难直接地转化为固定格式的记录由传统的数据库系统支持，因此，如何采用相应的数据模型有效地组织和管理这些设计数据、保证对设计数据的存取和共享是集成设计框架中的重要环节；同时，由于并行设计是一个不断反复的迭代过程，需要对同一对象在不同设计阶段的设计结果进行管理；此外，由于产品设计是一个长周期设计事务，如何保证设计数据的一致性也是一个关键问题。这些都是产品数据管理的范畴，必须在并行设计系统中进行规划。出于上述的考虑，提出了基于PDM的并行设计系统框架，如图7—1所示，由过程控制层、应用工具层、应用支持层和基础环境层等四大部分组成：

(I)过程控制层

位于系统的上层，它定义产品并行开发的过程模型。并行设计中的数据管理是围绕过程来展开的。过程决定了参与人员的组织方式、人员的职责与权限、设备资源的分配、应用工具的使用以及决定何人应于什么时候向什么地方提交什么数据。因此，在确定支持并行工程的产品数据管理框架的体系结构时，把过程作为最上层的控制，它通过PDM系统的图示化用户操作接口定义可执行的设计过程，实现流程的优化。

(2)应用工具层

是数据的产生器和接收器，它面向不同的应用领域，完成不同的任务，例如本文采用的面向优化的参数化设计系统(图7—1中点划线框表示部分，即包括优化设计模块和自动再生模块两部分)，CAX工具(主要采用Pro／E、AutoCAD等)、企业资源管理(Enterprise Resource Planning，ERP)系统以及智能DFX系统等。它可通过工具与应用程序的接口实现应用工具与PDM系统的封装或集成。

(3)应用支持层

是数据管理的核心层，它一方面提供用户操作接口，使用户实现人员组织、产品结构和过程管理等定义和操作；另一方面它还提供工具与应用程序接口，使用户可以对PDM系统内部的面向对象的产品数据模型进行修改和补充，实现产品结构管理、应用工具封装等用户化任务。利用面向对象技术把所有工业标准模型和用户化的模型，放置于图形化的对象浏览器中进行统一管理，该层把网络、操作系统及数据库屏蔽起来，用户可以直观、方便地操作整个环境中的数据对象。(4)基础环境层

通过关系数据库提供的数据操作功能支持PDM系统对象在底层数据库的管理，其中数据库主要对元数据(Metadata)进行管理，而网络主要为该框架的客户机／服务器的体系结构提供支持。

最后简要介绍一下面向应用领域的设计评价技术（DFX）。DFX是Design for X（面向生命周期各环节的设计）的缩写。其中X可以代表产品生命周期中某一环节，如装配、加工、使用、维护、回收、报废等，也可以代表产品竞争或决定产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等。典型的DFX方法包括面向装配的设计（DFA）、面向制造的设计（DFM）、面向成本的设计（DFC），面向环保的设计（DFE）等等。

1）面向装配的设计（DFA）

在现代制造业中，装配工作量占整个产品制造工作量的20~70%，装配时间占整个制造时间的40~60%，提高装配效率所带来的经济效益十分显著。面向装配的设计（DFA，Design for Aembly）是在产品设计阶段考虑并解决装配过程中可能存在的问题，以确保零部件快速、高效、低成本地进行装配。

2）面向制造的设计（DFM）

面向制造的设计DFM（Design for Manufacture）这里的制造主要指构成产品的单个零件的切削、铸造、锻造、焊接、冲压等冷热变形加工过程。DFM用于为了减少该类加工的时间与成本，提高加工质量的零件设计评价。

3）面向成本的设计（DFC）

面向成本的设计DFC（Design for Cost）在产品设计阶段为设计者提供支持工具，使设计者能够综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素；通过对产品技术经济性评价，设计者根据成本原因，及时进行设计修改，从而达到降低产品成本的目的。

4）面向环境的设计（DFE）

面向环境的设计DFE（Design for Environment）着重考虑产品开发过程中的环境因素，尽量减少在生产、运输、消耗、维护与修理、回收、报废等产品生命周期的各个阶段产品对环境产生的不良影响。在充分考虑环境因素开发出来的产品不仅对环境产生的不良影响少、而且消耗少，成本低，易为社会接受。